Анализ эффективности утилизации низкопотенциального тепла водородного комплекса на энергоблоке АЭС

   Данная работа посвящена анализу эффективности утилизации низкопотенциального тепла водородного комплекса на энергоблоке АЭС. Разработана новая схема интеграции водородных технологий в действующий энергетический объект с оценкой экономической эффективности мероприятия. Показано, что за счет утилизации низкопотенциального тепла, полученного при производстве водорода методом электролиза, возможно увеличение располагаемой мощности АЭС, что обеспечит увеличение выработки водорода при снижении стоимости. Был выбран и обоснован объект интеграции – Кольская АЭС. В качестве методов исследования выбраны имитационное моделирование тепловой схемы энергоблока атомной станции с турбоагрегатом К-220-44 в САПР «United Cycle», моделирование процесса электролиза водорода в программе Aspen HYSYS, с определением потенциала сбросной теплоты в водородгенерирующей установке, а также математическое моделирование с применением методики вероятностной оценки для определения основных параметров экономической эффективности внедрения мероприятия. В работе рассчитан теоретический возможный объем генерации водорода на Кольской АЭС, который составил 6,46∙108 м³/год. Показан прирост мощности на 6,24 МВт на клеммах электрогенераторов за счет утилизации тепловой энергии низкого потенциала электролизных установок для двух энергоблоков станции. Осуществлена оценка экономической эффективности внедрения теплоутилизационной установки в производственный цикл АЭС. Получен прирост теоретического возможного объема генерации водорода на 3∙104 м³/сут, что дает ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения технологии 1,95∙104 $/год.

1. Декларация Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де Жанейро [Электронный ресурс] URL: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/declarations/riodecl.shtml (дата обращения: 12. 09. 2021).

2. Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата [Электронный ресурс] URL: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/climate_framework_conv.shtml (дата обращения: 12. 09. 2021).

3. European Clean Hydrogen Alliance [Электронный ресурс] URL: https://ec.europa.eu/growth/industry/strategy/industrial-alliances/european-clean-hydrogen-alliance_en (дата обращения 11. 09. 2021).

4. Федеральный Закон «Об ограничении выбросов парниковых газов».

5. Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. РАСПОРЯЖЕНИЕ от 29 октября 2021 г. № 3052-р.

6. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации. ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. РАСПОРЯЖЕНИЕ от 5 августа 2021 г. № 2162-р.

7. Van Leeuwen C., Mulder M. Power-to-gas in electricity markets dominated by renewables // Appl. Energy. – 2018. – № 232. – Р. 258-272.

8. Moore, Jared. (2017). Thermal Hydrogen: An emissions free hydrocarbon economy. International Journal of Hydrogen Energy. 42. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.03.182.

9. El-Emam, Rami & Ozcan, Hasan. (2019). Comprehensive Review on the Techno-Economics of Sustainable Large-Scale Clean Hydrogen Production. Journal of Cleaner Production. 220. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.01.309.

10. Schmidt, O. & Gambhir, A. & Staffell, Iain & Hawkes, Adam & Nelson, J. & Few, Sheridan. (2017). Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study. International Journal of Hydrogen Energy. 42. 30470-30492. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.10.045.

11. Glenk, Gunther & Reichelstein, Stefan. (2019). Economics of converting renewable power to hydrogen. Nature Energy. doi: 10.1038/s41560-019-0326-1.

12. Ilyin, Evgeny & Levenok, Diana & Lymarev, Dmitry. (2023). Producing hydrogen by electrolysis to ensure passage of the minimum electrical load. 1-6. doi: 10.1109/REEPE57272.2023.10086724.

13. Kavvadias K. C., Khamis I. Sensitivity analysis and probabilistic assessment of seawater desalination costs fueled by nuclear and fossil fuel // Energy Policy. – 2014. – V. 74. – Р. 24-30.

14. Aminov, R. Z. Assessment of technical and economic efficiency of a closed hydrogen cycle at NPP / R. Z. Aminov, A. N. Egorov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, No. 32. – P. 15744-15751. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.068. – EDN: EMZUNH.

15. Filimonova, A. A.; Chichirov, A. A.; Chichirova, N. D.; Filimonov, A. G.; Pechenkin, A. V. Prospects for the development of hydrogen power engineering in Tatarstan.

16. Analysis of Technologies for Hydrogen Consumption, Transition and Storage at Operating Thermal Power Plants / D. Kolbantseva, D. Treschev, M. Trescheva [et al.] // Energies. – 2022. – Vol. 15, No. 10. – DOI: 10.3390/en15103671. – EDN: DDRHPN.

17. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants / K. Kalmykov, I. D. Anikina, D. Kolbantseva [et al.] // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. No. 13. – DOI: 10.3390/su14137710. – EDN: UUHQIY.

18. Колбанцев, Ю. А. Применение методики вероятностной оценки для стоимостного расчета вовлечения АЭС в процесс промышленного производства водорода / Ю. А. Колбанцев, М. В. Конюшин, А. А. Калютик // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23. № 2. – С. 14-26. – DOI: 10.30724/1998-9903-2021-23-2-14-26. – EDN: JXCNLN.

19. Аминов Р. З., Портянкин А. В. Анализ компоновочных решений электролизного цеха водородной надстройки с учетом надежности и взрывопожароопасности // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2018. – Т. 20. – № 5-6. – С. 29-36.

20. Петрушенко Ю. Я., Брусов В. А., Агафонов Ю. М. и др. К вопросу получения атомарного водорода и возможности его применения в энергетике // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2011. – № 11-12. – С. 170-177.

21. Aminov, R. Z. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plants / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, M. V. Garievskii // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, No. 29. – P. 14614-14624. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.03.187. – EDN: WPGYZN.

22. Аминов, Р. З. Современное состояние и перспективы производства водорода на АЭС / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Теплоэнергетика. – 2021. – № 9. – С. 3-13. – DOI: 10.1134/S0040363621080014. – EDN: SXHRIX.

23. Аминов, Р. З. Оценка эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом в условиях безопасного использования водорода в паротурбинном цикле / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 56-69. – DOI: 10.30724/1998-9903-2021-23-2-56-69. – EDN: NRAATC.

24. Щеклеин, С. Е. Повышение энергоэффективности АЭС / С. Е. Щеклеин, О. Л. Ташлыков, А. М. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. – 2015. – № 4. – С. 15-25. – DOI: 10.26583/npe.2015.4.02. – EDN: VSSAEN.

25. Гафуров Айрат Маратович. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС // Вестник КГЭУ. – 2015. – № 4 (28). [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposob-preobrazovaniya-sbrosnoy-nizkopotentsialnoy-teploty-tes (дата обращения: 12. 10. 2023).

26. Obara, Shin’ya & Tanaka, Ryu. (2021). Waste heat recovery system for nuclear power plants using the gas hydrate heat cycle. Applied Energy. 292. 116667. doi: 10.1016/j.apenergy.2021.116667.

27. Ташлыков, О. Л. Утилизация низкопотенциальной теплоты АЭС с реактором на быстрых нейтронах с использованием теплового насоса / О. Л. Ташлыков, И. В. Ковин, В. В. Кокорин // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – 2012. – № 3(107). – С. 22-25. – EDN: OXTYBN.

28. Wang, Xin & Zhao, Gang & Qu, Xinhe & Yang, Xiaoyong & Wang, Jie & Wang, Peng. (2023). Influence of Cooling Water Parameters on the Thermal Performance of the Secondary Circuit System of a Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactor Nuclear Power Plant. Energies. 16. 6560. doi: 10.3390/en16186560.

29. Сигал Е. М. Проектный КИУМ как показатель эффективности использования установленной мощности АЭС.

30. Замалеев, М. М. Исследование эффективности применения водородных технологий для регулирования неравномерности электрического графика / М. М. Замалеев, И. З. Назыров, И. В. Губин // Теплоэнергетика и теплоснабжение : Сборник научных трудов научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки». УлГТУ. Том, Выпуск 10. – Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2014. – С. 108-128. – EDN: WAJNZF.

31. Теоретическая основа и практический анализ технологий для водородной стратегии Российской Федерации / Н. П. Кодряну, А. А. Ишмурзин, Д. И. Дауди [и др.] // Газовая промышленность. – 2022. – № 1(827). – С. 56-70. – EDN: YFHVUD.

32. Dominic Burrin, Sumit Roy, Anthony Paul Roskilly, Andrew Smallbone. A combined heat and green hydrogen (CHH) generator integrated with a heat network, Energy Conversion and Management, Volume 246, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114686.

33. Tiktak J. Heat Management of PEM Electrolysis: A study on the potential of excess heat from medium-to large-scale PEM electrolysis and the performance analysis of a dedicated cooling system. the Delft University of Technology. – 2019. – 80 p.

34. Hydrogen Nel: Containerized PEM electrolyzer [Электронный ресурс]: сайт. – URL: https://nelhydrogen.com/product/m-series-containerized, свободный (дата обращения 12. 05. 2023).

35. Кузнецова, Е. С. Оптовый рынок электроэнергии (мощности) региона: проблемы, риски и перспективы развития / Е. С. Кузнецова, А. Р. Гафуров // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. – 2011. – Т. 14, № 1. – С. 52-55. – EDN: RBQRHV.

36. Производственные показатели // [Электронный ресурс]. URL: https://www.rosenergoatom.ru/stations_projects/sayt-kolskoy-aes/proizvodstvo/ (дата обращения: 10. 04. 2023).

37. Romanov, S. N. Software «United Cycle» for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12-17 June 2001; pp. 306-309. doi: 10.1117/12.456288.

38. S. Romanov, A. Kutakhov, N. Zhuk, O. Demidov, K. Romanov. «United Cycle» Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. ECOS-2003, Kopengagen PP. 1691-1696 (2003).

39. K. Kavvadias, I. Khamis, 2010. The IAEA DEEP desalination economic model : a critical review. Desalination 257(1-3),150-157.

40. Y. Du, J. E. Parsons. Update on the Cost of Nuclear Power. Center for Energy and Environmental Policy Research. MIT. – 2009.

41. РД ЭО 1.1.2.12.0085-2014. Периодичность и нормативная продолжительность ремонта энергоблоков атомных станций.